流量计涡轮叶片精加工刀路方案研究

本文通过对涡轮流量计叶轮叶片几何要素进行分析，给出手工编程和CAM软件编程两种不同的叶片曲面的精加工方案。并通过实际的上机验证，对两种方案进行对比、分析。选择手工编制的程序作为量产程序，提高了叶片的表面质量。

一、引言：
涡轮叶片是流量计的关键零件，叶片曲面是螺旋曲面，加工比较困难，加工精度要求高。螺旋曲面是工程应用中***广泛的曲面之一，很多机械零件均以螺旋曲面作为工作机理的基础。本文以实际生产中的涡轮流量计中的叶片为例，用手工编程和CAM软件编程两种方法进行叶片曲面精加工刀路的设计，给出了具体的方法和程序，并通过实际上机测验，

比较两种方案的优缺点，提高了叶片的表面质量，并对螺旋曲面的加工具有普遍的指导意义。

二、几何分析：
圆柱螺旋线是一个动点沿圆柱体表面作等速旋转，同时又沿圆柱体母线方向作等速运动所形成，圆柱体每转一圈，动点沿其母线轴向移动的距离称为螺旋线的导程。圆柱螺旋线的方程为如下。

计算公式

其中，ρ为圆柱体半径，为导程，θ为转角。右旋的圆柱螺旋线展开如图1所示，则有，其中β是螺旋升角。
图1 右旋圆柱螺旋线的展开图

图1 右旋圆柱螺旋线的展开图

在实际工程应用中，经常以某一母线，沿螺旋线运动，形成螺旋曲面。如图2所示是一个涡轮流量计中的叶轮，叶片的曲面就是一条母线沿着螺旋线运动得到的。叶片中间曲面与轮毂圆柱面相交是一条标准的右旋圆柱螺旋线。其中，ρ=19.7，θ= ， =142.8。因此该圆柱螺旋线的方程为如下。

计算公式

过螺旋线（2）上的一点做一条垂直于圆柱中心轴线的直线L，直线L沿着移动螺旋线（2）移动，形成叶片的中间曲面，分别向两侧偏移0.35便得到叶片的两个曲面。
图2 流量计涡轮图样

图2 流量计涡轮图样
三、叶片曲面精加工方案一：
选用直径D为5的立铣刀，大连机床厂的VDF-850 4轴立式加工中心。把立铣刀刀具侧刃看做是叶片曲面的母线，沿着相应的螺旋线运动，即可以包络出叶片的曲面。如图3所示，刀具刀尖曲线应当为螺旋线（2）旋转8.23°，半径为19.9的右旋圆柱螺旋线。在圆柱坐标系下，其方程为如下。
计算公式

由方程（4）可知，在4轴机床上，X轴移动一定距离的同时，A轴旋转一个角度，就可以加工出螺旋曲面。如图4所示为刀具轨迹展开图，为了使刀具轨迹在曲面延长的方向能让出一定的安全距离，做一条距离叶轮端面距离为5的辅助线。如图4所示，通过作图的方法求出，叶片长度延长到辅助线时，刀具的起始位置的坐标。
图3 刀具包络叶片曲面在叶片法向上的图解

图3 刀具包络叶片曲面在叶片法向上的图解
图4 刀具轨迹展开图

图4 刀具轨迹展开图
设定毛坯及工件坐标系如图5所示，编制NC程序。
图5 毛坯及坐标系的设定

图5 毛坯及坐标系的设定
数控程序如下。%0001G17 G40 G49 G80 G98M6 T2G00 G90 G54 G43 H2 Z30 M3 S5500G90 G01 X-6.768 Y-2.263 G90 G01 A0G01 Z19.9 F2000 M8M98 P0005 L12M00
G90 G01 A0G90 G01 X-3.232 Y2.263G01 Z19.9 F2000 M8M98 P0006 L12M00G0 Z30G0 X-28 A0M30
%0005G90 G01 Z19.9G91 G1 X22 A55.462 F1000G91 G0 Z20G91 G0 X-22G91 G0 A-25.462M99
%0006G90 G01 Z19.9G91 G1 X22 A55.462 F1000G91 G0 Z20G91 G0 X-22 G91 G0 A-25.462M99

四、叶片曲面精加工方案二：
使用CAM软件NX对叶片曲面进行精加工刀路的设计。“顺序铣”是NX中的一个功能强大的多轴铣削命令，可以连续加工一系列边缘相连的曲面。因此，选用“顺序铣”命令对叶片曲面进行精加工刀路设计，整个加工过程由进刀、连续加工运动1、连续加工运动2、连续加工运动3和退刀组成。各个运动控制刀具运动的3个控制表面的设定如表所示。生成的叶片精加工刀路、铣削方向和刀轴变化如图6所示。NX精加工刀路仿真效果如图7所示。
表控制表面的设定

表控制表面的设定
通过后处理，得到一个循环刀路的NC代码如下。
%0010G64G90 G40 G49 G55 G80M06 T02G00 A358.435X-2.5 Y-2.143G43 Z19.7 H02G01 F250. S0 M03X-.963 Y-2.148 A2.294X.549 Y-2.147 A6.108X2.037 Y-2.145 A9.866X3.51 Y-2.143 A13.584X4.973 Y-2.141 A17.275X6.429 Y-2.14 A20.95X7.882 Y-2.139 A24.614X9.333 A28.272X10.784 Y-2.14 A31.926X14.5 Y-2.158 A41.264Y-2.5 A45.054Y-2.485 Z19.701 A48.573X13.767 Y2.131 Z19.7 A59.932X13.035 Y2.162 A58.177X12.076 A55.757X10.979 Y2.161 A52.991X9.786 Y2.16 A49.981X8.526 Y2.158 A46.8X7.219 Y2.156 A43.501X5.879 Y2.154 A40.117X4.515 Y2.153 A36.672X3.133 Y2.151 A33.184X1.738 Y2.149 A29.663X.333 Y2.148 A26.116X-1.083 Y2.151 A22.549X-2.5 Y2.153 A18.975M09M05M30
图6 NX软件设计的叶片精加工刀路及刀轴变化图7 NX精加工刀路仿真结果
图8 方案一精加工刀路加工出来的叶轮
图8 方案一精加工刀路加工出来的叶轮

五、结论：

在方案一中，刀具在叶片一个曲面加工的过程中，轴的运动是连续的，没有停顿，叶片比较光顺。方案二使用CAM软件编程，方便快捷，但是螺旋经过插补后，轴有规律性的停顿，这种情况下，叶片将会出现接刀痕，在轴精度不高的机床上，情况尤为严重。因此在产品的量产中，我们选用方案一对涡轮叶片进行精加工，得到了较为光滑的曲面，如图8所示。

流量计涡轮叶片精加工刀路方案研究

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